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如何將交流電轉換為直流電

本文介紹二極管基礎知識、橋式整流器，以及如何利用二極管將交流電換為直流電。

二極管

這是二極管的實物圖片和電路符號:

二極管末端的灰色小條紋表示二極管的負極。

什么是二極管？

二極管是一種只允許電流沿一個方向流動的器件。

因此，如果你給二極管正極輸入交流電，負電壓將被阻止，在二極管的負極端將會只得到波形的正半部分。這個過程被稱為半波整流（Half Wave Rectification）。它也適用于其他帶有負電壓的波形，比如：方波、三角波等。

正向壓降

如果你仔細看正弦波的整流波形，會發現波形頂部少了一塊：

那是因為完美的二極管是不存在的。所有的二極管都有一個所謂的正向壓降(Voltage drop or Vf)。這意味著每當電流正向流過二極管時，電壓通常會降低 0.7 伏左右。確切的數字會隨著溫度、電流和二極管類型而變化，但現在我們當它就是 0.7 伏。

因此，二極管在其兩端的電壓達到 0.7伏之前不會導通。

一旦導通，則其兩端總會有 0.7 伏的壓降。

對于二極管來說，當輸入電壓為負時，二極管無法導通，因此輸出端電壓為 0 伏。

當輸入電壓為 0.3 伏時，仍然不足以使二極管導通，因此輸出端電壓為 0 伏。

當輸入電壓為 0.9 伏時，二極管導通，但由于正向壓降，在輸出端電壓為 0.2 伏。

當輸入電壓為 10 伏時，在輸出端電壓為 9.3 伏。

額定功率

二極管還有一個比較重要的參數的額定功率。二極管的功率是用 Vf 乘以流過二極管的電流計算出的。

所以當電流為 1 毫安時，只有 0.7 毫瓦會因熱量流失，問題不大。

但是當通過二極管的電流達到 3 安培時，將會產生 2.1 瓦的熱量，這是非常大的。因此，你要么使用更大功率的二極管，要么使用具有較低正向壓降的二極管，如肖特基二極管。

開關速度

二極管最后一個值得注意的參數就是：開關速度(switching speed)。文檔中這個參數一般在電器參數（ELECTRICAL CHARACTERISTICS ）中，寫為反向恢復時間（Reverse Recovery Time），符號為：trr。

1N4007 是專為低頻電力電子設備而設計的，例如家中的 50-60 赫茲的交流市電。

頻率為 50 赫茲時，一切正常：

當交流信號的頻率增加到 10 幾千赫茲時，二極管開始失效，因為它開始反向導通了：

這是因為二極管在允許電流正向導通和阻止反向電流之間切換需要一定的時間。不同的二極管擁有不同的切換速度。

1N4148 的切換速度是：4ns:

用 1N4148 替換上面的 1N4007, 能夠支持到 100k 赫茲頻率的信號。

對于射頻應用，你將需要開關速度更快的二極管。

當你設計電路時，需要考慮二極管的最大額定電壓、正向壓降、額定電流和開關速度。

半波整流

有了上面的知識，就可以用二極管來搭建點東西了。二極管最常見的用途是用來將交流電轉換為直流電。下面我們搭建一個非穩壓（unregulated）直流電源。

首先我們需要將家用 220 伏市電降壓到更低、更安全的交流電。具體可參考我的另一篇文章。關于變壓器的教程

圖中藍色黃色的線來自變壓器的 12 伏輸出端。

負載為零時，變壓器輸出一個干凈的正弦波，峰峰值約為 36 伏，頻率為 50 赫茲。

二極管上場

在輸出的波形后面加一個 1N4007 二極管，然后測量二極管兩端的電壓，可以從波形中看到負電壓被截斷了。

下面是上面單二極管整流波形圖：

下面是將上面兩個波形疊加到一起的效果：

從技術上講，我只用一個二極管就將交流電轉換成了直流電，因為負電壓被消除了。但這個直流電實在是太糟糕了，一半時間是一個奇怪的駝峰電壓，一半的時間電壓為零，基本沒啥用。要想把它變得有用，我們得給它增加一點穩定性。說起穩壓，是時候讓我們的老朋友電容出場了。我們在輸出端加一個電容來穩壓。

電容上場

我們在二極管后加一個 4.7 微法的電容，立馬輸出一個完美的電壓為 18 伏直流電：

一切看上去如此美好，那是因為電路中還沒有加上負載。電容通過二極管充電，因為沒有負載，電容儲存的電荷不會被耗盡。我們給電路加一個 4.7k 的電阻作為負載，看看會發生什么。

通過歐姆定律可以計算出通過負載的電路大約為 4 毫安，18 伏 / 4.7k = 4 毫安。

CH1 探頭還是接在二極管正極，CH2 探頭還是接在二極管負極，下圖中 CH1 為黃色，CH2 為青色。

4毫安的電流電路就支撐不住了，輸出的直流電變為了一個鋸齒狀劇烈抖動的波形。從上面波形可以看出，當交流輸入為正時，二極管允許電流通過，因此電容器充電。但是一旦輸入電壓降為零，二極管就會阻止電流的反向流動，剩下的唯一能源就是那個微小的 4.7 微法電容器。如圖所示，即使在負載很小，它也會很快耗盡。

怎么解決這個問題？如果我們把電容看作存儲電荷的水庫的話，我們可以提高水庫的容量，以便提供足夠的電量給負載使用，直到下一次輸入電壓再次變為正值。

更大的電容

讓我們用一個更大的 470 微法電容替換那個微小的一微法電容，看看會發生什么。

增大電容到 470 微法后，直流電再次變直了，看上去還不錯。現在我們有了一個可以提供幾毫安電流的直流電源，這足以為一些傳感器和運算放大器供電。

現在，讓我們把負載加大一下。我們把負載電阻增加到 10 歐姆，這會讓電路需求的電流增大到一安培多。

輸出電壓再次抖動了起來，電壓紋波的幅度很大。均方根電壓只有 8 伏，因此電路中流過的電流只有大約 0.8 安左右。

瘋狂增加電容

所以，即使是 470 微法的電容也不夠了。我們可以添加更多的電容。

好多了，現在均方根值電壓達到了 10 伏，說明電路中流過的電流大概有 1 安左右，峰峰值由 14 伏降到了 5 伏多。但 5 伏的紋波也確實太大了。我們可以繼續增加更多的電容來減小紋波，但如果負載電流繼續增大，達到幾個安培，那么還得繼續增加電容，這簡直是個無底洞，不能繼續這么搞下去，得另想辦法。

全波整流

讓我們看看下面這個神奇的電路：

它由四個二極管按照一定的順序排列組合而成，這就是“橋式整流”電路。也稱為橋式整流器。

正半周

在正弦波的正半周期，連接到菱形左邊的電壓為正（紅），連接到零星右邊的電壓為負（藍）。紅藍兩個二極管導通，允許電流正向流動。剩余兩個二極管截至，阻止流動通過，相當于斷路。電流從上方的端子沿著紅色（正）路徑往右流到負載，再沿著負載流到輸出，返回時沿著藍色（負）路徑回到下方的電源端子。

負半周

現在在正弦波的后半部分，連到菱形左邊的輸入為負（藍），連到菱形右邊的輸入為正（紅），電流從下方的端子沿著紅色（正）路徑往右流到輸出，返回時沿著藍色（負）路徑回到下方的電源端子。

因此，與半波整流削掉交流電負半周不使用它相比，全波整流反轉了負半周并使用了它。因此，在輸出端會得到 100 赫茲的直流而不是 50 赫茲。

就像前面使用一個二極管進行半波整流時那樣，我們也可以用電容器對全波整流的輸出進行濾波以獲得更加平滑的電壓。

這是筆者使用四個 1N4007 二極管搭建的橋式整理器，輸入變壓器的 12 伏輸出，注意我使用了一個 4.7k 電阻作為負載。因為此時沒有用電容器濾波，如果不接入負載直接測量輸出波形的話會有變形：

從下面的波形中，可以看到之前 50 赫茲的有正有負的電壓，經過整流后變為沒有負電壓的 100 赫茲的恒為正的駝峰型電壓。這被稱為全波整流，因為我們正在對全交流波進行整流。白色的波形是輸入波形，是使用示波器的參考波形功能保存好并調出顯示的。因為此時交流和直流沒有共同的接地，因此無法同時測量這兩個波形。整流后的波形的峰峰值為 16.3 伏，均方根值為 11.2 伏。

現在讓我們使用一個 470 微法的電容，接上 10 歐姆的負載，看看全波整流表現如何。

現在我們獲得了 10 伏的平均電壓，而不是我們之前使用單個二極管獲得的 8 伏電壓。這是因為全波整流器對電容器充電的速度是半波整流器的兩倍。 因為我們充分利用了 50 赫茲交流市電的正負兩個半波。

現在想想這些額外的二極管只需要幾毛錢，帶來了多大的不同。

橋式整流器可能有點難以理解，由于這個電路太經典，但它實在是人類智慧的最佳表現形式之一，它的身影也無處不在，學習一下還是有必要的。

現在讓我們看看使用 3290 微法電容濾波的全波整流波形：

均方根值（可以理解為平均值）到了 11.2 伏的電壓高于之前使用的 470 微法濾波的 10 伏，電源紋波也由 8.5 伏降低到了 3.72 伏。

換句話說，橋式整流器與大量電容的組合幾乎可以將任何大電流交流電變成大電流直流電。但是要注意，使用的二極管和電容的額定電壓必須大于需整流波形的峰值電壓。這里全波整流后的波形峰峰值為 16.3 伏，使用額定電壓為 25 伏或以上的電容就可以了。

有一點需要注意，這些都是未經穩壓的直流電源。這意味著即使我們已經成功地消除了很多電壓紋波，我們仍然會遇到負載下平均電壓變化的問題。

空載時為 16.4 伏：

1 安培負載電壓降到了 11.2 伏：

如果電路中的電流繼續增大的話，輸出電壓還會下降。對于一些寬電壓要求的電路來說，這不是問題。但是對于微控制器和其他一些數字電子產品，他們需要非常精確的電壓源，為此需要生成所謂的穩壓電源。

咱們下一篇再講穩壓電源（Voltage Regulator）。